CN106159064A - 硅衬底高密度led光源模组及基于共晶焊的硅衬底高密度led光源模组制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硅衬底高密度LED光源模组及基于共晶焊的硅衬底高密度LED光源模组制备方法。本发明创造性地将LED芯片直接封装在散热基体上，相比起现有技术，本发明的LED芯片其工作时产生的热量可以直接通过散热基体传导，散热效率明显高于现有技术。

Description

硅衬底高密度LED光源模组及基于共晶焊的硅衬底高密度LED 光源模组制备方法
技术领域
本发明涉及LED照明技术领域，具体涉及一种硅衬底高密度LED光源模组及基于共晶焊的硅衬底高密度LED光源模组制备方法。
背景技术
目前，传统的蓝宝石衬底GaN大功率芯片，其电极位于芯片的出光面上。芯片工作时，约30%的光被P电极吸收，且由于P-GaN层有限的导电率，要求在P-GaN层表面再沉积一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层又Ni/Au组成，会遮挡一部分光，影响芯片的出光效率。为了减少对发射光的吸收，电流扩散层的厚度应减少到几百奈米。厚度的减少又限制了电流扩散层在P-GaN层表面均匀和可靠地扩散电流的能力，且影响大功率芯片的争相电压。因此这种P型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时，LED芯片的热量通过蓝宝石衬底导出，导热路径长；而蓝宝石的导热系数较低（约35W/m·K），因此其热阻会较大。
除此以外，现有的LED芯片大多先封装在一铝基板上，在生产LED照明产品时，再通过黏胶、螺丝、卡扣等结构将铝基板安装在一散热器上。LED芯片工作时产生的热量首先传导至铝基板，再经铝基板传导至散热器，热传导路径长且由于铝基板和散热器之间往往存在细微的缝隙，导致LED芯片的散热效率低下，影响LED照明产品的正常工作。
发明内容
有鉴于此，本发明一种可以有效提高LED芯片散热效率、提高LED光源照明功率的LED光源模组。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种硅衬底高密度LED光源模组，包括散热基体，所述散热基体上设有封装区；还包括覆盖在封装区上的硅衬底以及封装在硅衬底上的LED芯片。
本发明创造性地将LED芯片直接封装在散热基体上，相比起现有技术先封装在一铝基板上，再通过黏胶、螺丝、卡扣等结构将铝基板安装在一散热器的方式，本发明的LED芯片其工作时产生的热量可以直接通过散热基体传导，散热效率明显高于现有技术。此外，本发明的LED芯片是封装在硅衬底上，硅衬底具有较高的导热效率（导热系数为145 W/m·K），可进一步提高LED芯片的散热效率；且其对可见光吸收率较低，可以明显提高LED光源模组的光效。由于本发明的LED芯片具有更高的散热效率，因此其可以以高密度的形式存在而不影响LED光源模组的光效，可以有效提高LED光源模组的功率，扩展LED光源模组的适用范围。
进一步的，所述LED芯片为倒装LED芯片。
所述倒装LED芯片可以选用任意一种现有技术实现。倒装芯片中，大功率LED芯片电极上焊接的数个BUMP与硅衬底上对应的PUMP通过共晶焊接在一起，硅衬底通过粘接材料与器件内部热忱粘结在一起，光线由于无需通过电流扩散层，因此损耗较小。与此同时，电流扩散层的厚度也可以加厚，增加倒装芯片的电流密度，从而得以提升LED芯片的功率、改善LED芯片的工作稳定性。同时这种结构还可以将PN结的热量直接通过焊接点传导至硅衬底上，散热效果更优。
更进一步的，所述硅衬底上设有线路层 ；还包括包括N极焊点及P极焊点；所述线路层的线路与N极焊点及P极焊点导通；所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别连接在所述P极焊点和所述N极焊点上。
线路层的作用是分别将与N极焊点及P极焊点连接至电源的两极，可以选用任意一种现有技术实现。
优选的，所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别连接在所述P极焊点和所述N极焊点上是指所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别通过共晶焊连接在所述P极焊点和所述N极焊点上。
优选的，所述P电极和N电极与所述P极焊点和所述N极焊点分别通过导电层连接。
由于N极、P极与焊点之间接触面较小，为提到导电效率，即便本发明的N极、P极已经通过共晶焊固定，仍然增加导电层，增强倒装LED芯片的导电性能。
优选的，所述导电层为导电胶或金属焊料。
优选的，所述散热基体对应倒装LED芯片的位置设有散热盲孔，散热盲孔的开口与大气连通。
散热盲孔内的空气可以被加热，与大气形成热对流，促进散热基体对应倒装LED芯片的区域的热量散发。
优选的，所述导电区为下沉于散热基体表面的凹槽；所述导电胶为光固化导电胶。
导电胶采用光固化，可以避免热固化影响LED性能。
本发明还提供一种基于共晶焊的硅衬底高密度LED光源模组制备方法，包括如下工序：
S1. 提供一散热基体，在散热基体上形成下沉的封装区，并在封装区表面形成硅衬底；
S2.在硅衬底上制作出线路层和N极焊点及P极焊点；
S3.提供倒装 LED 芯片，并将其底部的N电极和P电极分别放置在表面涂有导电胶的N极焊点及P极焊点，并进行光固化；
S4.利用共晶焊接设备将所述倒装LED芯片与硅衬底焊接在一起。
进一步的，所述S5中，焊接时超声波功率为0.6-1.6W，时间为100-500ms，温度为50-250℃。
本发明通过共晶焊将倒装芯片固定在硅衬底上，可以有效提高LED芯片与硅衬底直接的热传导效率，可有效地提高所获得的LED光源模组的散热性能、导电性能，使本发明的LED光源模组具有更加广泛的适用范围。
本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：
1.本发明创造性地将LED芯片直接封装在散热基体上，相比起现有技术，本发明的LED芯片其工作时产生的热量可以直接通过散热基体传导，散热效率明显高于现有技术。
2.本发明的LED芯片是封装在硅衬底上，硅衬底具有较高的导热效率（导热系数为145 W/m·K），可进一步提高LED芯片的散热效率；且其对可见光吸收率较低，可以明显提高LED光源模组的光效。由于本发明的LED芯片具有更高的散热效率，因此其可以以高密度的形式存在而不影响LED光源模组的光效，可以有效提高LED光源模组的功率。
3. 本发明的LED芯片通过共晶焊安装在硅衬底上，硅衬底通过粘接材料与器件内部热忱粘结在一起，光线由于无需通过电流扩散层，因此损耗较小。与此同时，电流扩散层的厚度也可以加厚，增加倒装芯片的电流密度，从而得以提升LED芯片的功率、改善LED芯片的工作稳定性。同时这种结构还可以将PN结的热量直接通过焊接点传导至硅衬底上，散热效果更优。
附图说明
图1是本发明LED光源模组的局部断面图。
图2是本发明硅衬底的局部放大图。
图3是本发明照明模组的结构示意图。
图4本发明另一实施例LED光源模组的局部断面图。
图5本发明另一实施例LED光源模组的局部断面图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
本实施例提供一种硅衬底高密度LED光源模组，如图1、图2、图3，包括散热基体1，所述散热基体上设有封装区5；还包括覆盖在封装区上的硅衬底2以及封装在硅衬底2上的LED芯片3。本实施例中，所述散热基体可以是任一种现有技术的散热器，其中包括缓冲区、散热片等必要的结构，不在赘述。
进一步的，本实施例中，所述LED芯片为倒装LED芯片。
更进一步的，所述硅衬底上设有线路层4 ；还包括包括N极焊点41及P极焊点42；所述线路层的线路与N极焊点及P极焊点导通；所述倒装 LED 芯片其底部的P电极32和N电极31分别连接在所述P极焊点42和所述N极焊点41上。线路层可以选用任意一种现有技术实现，例如在硅衬底上形成铜箔层后蚀刻获得。
更进一步的，所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别连接在所述P极焊点和所述N极焊点上是指所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别通过共晶焊连接在所述P极焊点和所述N极焊点上。
更进一步的，所述P电极和N电极与所述P极焊点和所述N极焊点分别通过导电层（图中未出示）连接。
优选的，所述导电层为导电胶。
优选的，所述散热基体1对应倒装LED芯片的位置设有散热盲孔6，散热盲孔的开口与大气连通。
优选的，所述导电区5为下沉于散热基体表面的凹槽；所述导电胶为光固化导电胶。
本实施例中，散热基体为铝型材，其背面设有散热鳍片11。
实施例2
本实施例提供一种硅衬底高密度LED光源模组，如图4，包括散热基体1，所述散热基体上设有封装区；还包括覆盖在封装区上的硅衬底2以及封装在硅衬底2上的LED芯片3。本实施例中，所述散热基体可以是任一种现有技术的散热器，其中包括缓冲区、散热片等必要的结构，不在赘述。
进一步的，本实施例中，所述LED芯片为正装LED芯片。
实施例3
本实施例提供一种硅衬底高密度LED光源模组，如图1、图2、图3,，包括散热基体1，所述散热基体上设有封装区5；还包括覆盖在封装区上的硅衬底2以及封装在硅衬底2上的LED芯片3。本实施例中，所述散热基体可以是任一种现有技术的散热器，其中包括缓冲区、散热片等必要的结构，不在赘述。
进一步的，本实施例中，所述LED芯片为倒装LED芯片。
更进一步的，所述硅衬底上设有线路层4 ；还包括包括N极焊点41及P极焊点42；所述线路层的线路与N极焊点及P极焊点导通；所述倒装 LED 芯片其底部的P电极32和N电极31分别连接在所述P极焊点42和所述N极焊点41上。
更进一步的，所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别连接在所述P极焊点和所述N极焊点上是指所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别通过导电胶连接在所述P极焊点和所述N极焊点上。
优选的，所述散热基体对应倒装LED芯片的位置设有散热盲孔6，散热盲孔的开口与大气连通。
优选的，所述导电区5为下沉于散热基体表面的凹槽；所述导电胶为光固化导电胶。
实施例4
本实施例提供一种硅衬底高密度LED光源模组，如图5，包括散热基体1，所述散热基体上设有封装区；还包括覆盖在封装区上的硅衬底2以及封装在硅衬底2上的LED芯片3。本实施例中，所述散热基体可以是任一种现有技术的散热器，其中包括缓冲区、散热片等必要的结构，不在赘述。
进一步的，本实施例中，所述LED芯片为倒装LED芯片。
更进一步的，所述硅衬底上设有线路层 ；还包括包括N极焊点41及P极焊点42；所述线路层的线路与N极焊点及P极焊点导通；所述倒装 LED 芯片其底部的P电极32和N电极31分别连接在所述P极焊点42和所述N极焊点41上。
更进一步的，所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别连接在所述P极焊点和所述N极焊点上是指所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别通过共晶焊连接在所述P极焊点和所述N极焊点上。
更进一步的，所述P电极和N电极与所述P极焊点和所述N极焊点分别通过导电层连接。
优选的，所述导电层为导电胶。
实施例5
本实施例提供一种硅衬底高密度LED光源模组，其结构与实施例1一致。特别的，本实施例中光固化导电胶其原料按重量计包括双酚A型环氧丙烯酸酯 50份；三缩丙二醇双丙烯酸酯20份 ；光引发剂1份；导电填料78份；硅烷偶联剂2份；溶剂30份；助剂0.1-1份；无机粘接剂35份；
所述助剂其原料按重量计包括质量分数40%的碳酸锂、12%的碳酸胍以及余量的甘露醇。所述无机粘接剂为低温玻璃粉。导电填料为镍粉、铜粉、银粉中的至少一种。溶剂可选用任意一种现有技术实现。
本实施例中，所述光引发剂为1- 羟基环己基苯甲酮、二苯甲酮和三乙醇胺组成的混合物，其组成按质量比1-羟基环己基苯甲酮∶二苯甲酮∶三乙醇胺为2∶1∶0.5。所述硅烷偶联剂为γ-(甲基丙烯酰氧 ) 丙基三甲氧基硅烷。
本实施例提供的光固化导电胶，其具有优秀的耐高温性能，尤其是碳酸锂、碳酸胍的添加，可以使导电胶在高温下保持优秀的硬度、附着力，不易脱落、老化。
实施例6
本实施例一种基于共晶焊的硅衬底高密度LED光源模组制备方法，用于制备实施例1的光源模组，包括如下工序：
S1. 提供一散热基体，在散热基体上形成下沉的封装区，并在封装区表面形成硅衬底；
S2.在硅衬底上制作出线路层和N极焊点及P极焊点；
S3.提供倒装 LED 芯片，并将其底部的N电极和P电极分别放置在表面涂有导电胶的N极焊点及P极焊点，并进行光固化；
S4.利用共晶焊接设备将所述倒装LED芯片与硅衬底焊接在一起。
进一步的，所述S5中，焊接时超声波功率为0.6-1.6W，时间为100-500ms，温度为50-250℃。
S1中，散热基体可以是任意一种现有的散热器。
对比例1
本对比例提供一种LED光源模组，其包括散热基体、铝基片以及通过COB封装在铝基片上的LED芯片。铝基片通过螺丝固定在散热基体上。
对比例2
本对比例提供一种LED光源模组，包括散热基，所述散热基体上设有封装区；还包括覆盖在封装区上的蓝宝石衬底以及封装在蓝宝石衬底上的LED芯片。
对比例3
本实施例提供一种硅衬底高密度LED光源模组，其结构与实施例1一致。特别的，本实施例中光固化导电胶其原料按重量计包括双酚A型环氧丙烯酸酯 50份；三缩丙二醇双丙烯酸酯20份 ；光引发剂1份；导电填料78份；硅烷偶联剂2份；溶剂30份；助剂0.1-1份；无机粘接剂35份；
所述助剂其原料按重量计包括质量分数12%的碳酸胍以及余量的甘露醇。所述无机粘接剂为低温玻璃粉。导电填料为镍粉、铜粉、银粉中的至少一种。
本实施例中，所述光引发剂为1- 羟基环己基苯甲酮、二苯甲酮和三乙醇胺组成的混合物，其组成按质量比1-羟基环己基苯甲酮∶二苯甲酮∶三乙醇胺为2∶1∶0.5。所述硅烷偶联剂为γ-(甲基丙烯酰氧 ) 丙基三甲氧基硅烷。所述溶剂可选用任意一种现有技术实现。
实验例1
在选用功率为0.1W的LED芯片制作实施例和对比例，封装面积为20×20mm，芯片数量为30个。通电后测试LED芯片发光面可以达到的最高温度。其结果如表1所示。
表1.
将实施例5和对比例3的导电胶采用线棒涂膜器将其均匀涂于经表面预处理的硅衬底上，以 122 ～240mW/cm2的紫外光，照射70 ～ 120s 使涂料固化，得到涂层。层经氮气气氛600℃条件下热处理 1h 后，再次对其性能进行测试。其结果如表2。
表2.
以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅衬底高密度LED光源模组，其特征在于：包括散热基体，所述散热基体上设有封装区；还包括覆盖在封装区上的硅衬底以及封装在硅衬底上的LED芯片。
2.根据权利要求1所述的光源模组，其特征在于：所述LED芯片为倒装LED芯片。
3.根据权利要求2所述的光源模组，其特征在于：所述硅衬底上设有线路层 ；还包括包括N极焊点及P极焊点；所述线路层的线路与N极焊点及P极焊点导通；所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别连接在所述P极焊点和所述N极焊点上。
4.根据权利要求3所述的光源模组，其特征在于：所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别连接在所述P极焊点和所述N极焊点上是指所述倒装 LED 芯片其底部的P电极和N电极分别通过共晶焊连接在所述P极焊点和所述N极焊点上。
5.根据权利要求3或4所述的光源模组，其特征在于：所述P电极和N电极与所述P极焊点和所述N极焊点分别通过导电层连接。
6.根据权利要求5所述的光源模组，其特征在于：所述导电层为导电胶或金属焊料。
7.根据权利要求3或4所述的光源模组，其特征在于：所述散热基体对应倒装LED芯片的位置设有散热盲孔，散热盲孔的开口与大气连通。
8.根据权利要求6所述的光源模组，其特征在于：所述导电区为下沉于散热基体表面的凹槽；所述导电胶为光固化导电胶。
9.一种基于共晶焊的硅衬底高密度LED光源模组制备方法，包括如下工序：
S1. 提供一散热基体，在散热基体上形成下沉的封装区，并在封装区表面形成硅衬底；
S2.在硅衬底上制作出线路层和N极焊点及P极焊点；
S3.提供倒装 LED 芯片，并将其底部的N电极和P电极分别放置在表面涂有导电胶的N极焊点及P极焊点，并进行光固化；
S4.利用共晶焊接设备将所述倒装LED芯片与硅衬底焊接在一起。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述S5中，焊接时超声波功率为0.6-1.6W，时间为100-500ms，温度为50-250℃。
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CN107842725A (zh) * 2017-11-13 2018-03-27 前海玖星光能低碳科技（深圳）有限公司 一种立体式硅衬底led光源模组及其制备方法
JP2022025833A (ja) * 2020-07-30 2022-02-10 日本特殊陶業株式会社 半導体パッケージ、および、半導体パッケージアレイ

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